JP5896797B2 - ピクセルクロック発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピクセルクロック発生装置に関するものである。

従来、揺動する走査ミラーによって観察用のレーザを走査して画像を生成するレーザ走査型顕微鏡装置は、走査ミラーの揺動と連動したピクセルクロックを用いて画像を生成している（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、走査ミラーの背面で反射されたレーザを光学格子に入射し、該光学格子を透過したレーザを検出してピクセルクロックの信号源として用いている。

特開平５−１３６９５４号公報

特許文献１では、走査ミラーによって走査されるレーザを光学格子上の一点に集めて入射させるために、光学格子の前段に集光レンズが備えられている。この集光レンズは、レーザの走査範囲全域にわたってレーザを受光して光学格子に集光しなければならないために、大きな有効径と画角を有することが要求される。また、高精度のピクセルクロックを得るためには、集光レンズによって光学格子に集光されるレーザは、その走査範囲全域にわたって収差が良好に補正されていなければならない。これらの光学性能を十分に満たす集光レンズを構成しようとすると、集光レンズのレンズ構成が複雑となってしまうという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易なレンズ構成で高精度のピクセルクロックを生成することができるピクセルクロック発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、複数の反射面を有し一の反射面で観察用レーザを標本の方向へ反射するとともに所定の軸回りに揺動することにより前記観察用レーザを標本上で走査するミラーと、前記観察用レーザの照射により前記標本において発生した観察光を検出する検出部と、該検出部から出力された前記観察光に基づく信号をピクセルクロックに同期してサンプリングすることにより前記標本の画像を生成する画像処理部とを備えるレーザ走査型顕微鏡の前記ピクセルクロックを発生するピクセルクロック発生装置であり、複数の光束を前記ミラーの他の反射面の略同一位置に、前記所定の軸に交差する平面において互いに異なる入射角度で入射させる光源部と、前記他の反射面において互いに異なる反射角度で反射された前記複数の光束の光路上に配置され、前記走査ミラーの揺動によって前記所定の軸に交差する方向に走査される前記複数の光束のうち一部を通過させる開口を有するスリット部材と、該スリット部材の前記開口を通過した光束を集光する集光レンズと、該集光レンズによって集光された光束が入射され、該光束を遮断する遮光部および前記光束を透過させる透光部が前記所定の軸に交差する方向に一定間隔で繰り返し配列されてなる光学格子と、該光学格子を透過した光束を検出し、該光束の強度変化の周期に応じた周波数のクロック信号を生成する信号変換部とを備え、前記複数の光束の前記他の反射面への入射角度は、前記走査ミラーの揺動による前記各光束の走査角度の全幅を複数に分割した角度ずつ互いに異なり、前記開口の前記所定の軸に交差する方向の寸法は、隣接する前記光束同士の前記スリット部材の位置における前記所定の軸に交差する方向の間隔以上であるピクセルクロック発生装置を提供する。

本発明によれば、光源部から出力された複数の光束は、観察用レーザを走査しているレーザ走査型顕微鏡のミラーの他の反射面によって反射され、スリット部材の開口を通過した一部が集光レンズによって集光される。集光された光束は、ミラーの所定の軸回りの揺動によって光学格子の透光部と遮光部との配列方向に走査される。このときに、光束は、透光部を横切るときのみ光学格子を透過することにより、略一定の時間周期を有するパルス状となって光学格子から出力される。信号変換部は、このパルス状の光束から、ピクセルクロックを生成することができる。

この場合に、他の反射面で反射された複数の光束は、その走査方向に間隔を空けて並んで進行する。そして、一部の光束のみがスリット部材の開口を通過し、集光レンズを介して光学格子に入射する。スリット部材の開口の前記走査方向の寸法は、光束間の前記走査方向の間隔以上であるので、少なくとも１つの光束は常に開口を通過する。したがって、ピクセルクロックは途切れることなく生成される。

また、スリット部材を通過する光束は、ミラーの揺動に伴って順番に切り替わる。このときに、開口を通過して集光レンズに入射する光束の入射角度の幅は、個々の光束の走査角度の全幅を複数に分割した角度となる。これにより、集光レンズに要求される画角および有効径が小さくて済むとともに、集光レンズによる光束に集光に関する収差補正が容易となり、簡易なレンズ構成で高精度のピクセルクロックを生成することができる。

上記発明においては、前記光学格子は、隣接する前記透光部同士の中心間距離が前記遮光部および前記透光部の配列方向に交差する方向に連続的にまたは段階的に変化するとともに、該配列方向に交差する方向に移動可能に設けられていることとしてもよい。

信号変換部において生成されるピクセルクロックの周波数は、隣接する透光部同士の中心間距離（ピッチ）に反比例する。したがって、光学格子を光束の走査方向に交差する方向に移動させて光束の走査位置における透光部のピッチを変化させることにより、ピクセルクロックの周波数を連続的にまたは段階的に変化させることができる。

また、上記発明においては、前記ミラーの前記所定の軸回りの揺動角度の幅に応じて前記光学格子の前記配列方向に交差する方向の位置を調節する制御部を備えることとしてもよい。

レーザ走査型顕微鏡において、ミラーの揺動角度の幅を小さくして観察用レーザの走査範囲を狭めることにより、画像の倍率を上げる手法が用いられている。このときに、光学格子上における光束の走査範囲も狭くなるが、光束がより透光部のピッチが小さい部分を走査するように制御部が光学格子の位置を調節し、ピクセルクロックの周波数を増大させる。これにより、レーザ走査型顕微鏡装置により画像の倍率を上げたときに、観察用レーザの一走査線当たりのピクセルクロック数が減少することにより画質が粗くなることを防ぎ、画像の解像度を維持することができる。

また、上記発明においては、前記光学格子が、該光学格子をなす面と直交する軸を中心に回転可能に設けられていることとしてもよい。
このようにすることで、光学格子を回転させると、光束の走査方向の透光部のピッチが変化する。これにより、ピクセルクロックの周波数を変化させることができる。

また、上記発明においては、前記光源部が、前記光学格子と共通の軸を中心に前記光学格子と一体的に回転可能に設けられていることとしてもよい。
このようにすることで、光学格子を回転させたときに光束の光学格子への入射位置も一体に回転し、光束の入射位置と透光部との位置関係が一定に保持される。これにより、光学格子から信号変換部へ出力されるパルス状の光束が安定し、光学格子の回転角度によらずに安定したピクセルクロックを生成することができる。

また、上記発明においては、前記光源部が、単一の光源と、該光源から出力された光束を複数に分割する光束分割素子とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、光源が１つで済むので、構成を簡素にし、装置のコストを抑えることができる。

また、上記発明においては、前記スリット部材は、２以上の光束を前記開口に通過させ、隣接する前記光束同士の前記光学格子の位置における前記所定の軸に交差する方向の間隔は、前記光学格子の隣接する前記透光部同士の中心間隔の略整数倍であることとしてもよい。
このようにすることで、光学格子を走査される２以上の光束は、同一のタイミングで透光部を横切ることにより、同一のタイミングでパルス状となって出力される。これにより、ピクセルクロックの安定性を向上することができる。

また、上記発明においては、前記開口の前記所定の軸に交差する方向の寸法が、隣接する前記光束同士の前記スリット部材の位置における前記交差する方向の間隔の略整数倍であることとしてもよい。
このようにすることで、開口を通過する光束が順番に入れ替わったとしても開口を通過する光束の総光量は常に一定になり、光学格子から信号変換部に出力されるパルス状の光束の光量が安定する。これにより、ピクセルクロックの安定性を向上することができる。

本発明によれば、簡易なレンズ構成で高精度のピクセルクロックを生成することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るピクセルクロック発生装置およびレーザ走査型顕微鏡システムの全体構成図である。 レーザ走査型顕微鏡が備える走査ミラーの揺動によるピクセルクロック発生装置のレーザの動作を説明する図である。 （ａ）〜（ｅ）スリット部材をレーザの入射側から見た図であり、Ｘ’方向に走査されるレーザと開口との位置関係を説明する図である。 （ａ），（ｂ）図１のピクセルクロック発生装置が備える光学格子の変形例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）図１のピクセルクロック発生装置が備える光学格子のもう１つの変形例を示す図であり、透光部のピッチの変化を説明する図である。 図１のピクセルクロック発生装置の変形例を示す部分的な構成図である。 図１のピクセルクロック発生装置のもう１つの変形例を示す全体構成図である。 図７のピクセルクロック発生装置の光路を一直線に延ばした図であり、各光学素子の作用を説明する図である。 （ａ）図７の回折格子の格子パターンと、（ｂ）図７の複数のレーザスポットとマスクとの関係と、（ｃ）図７のマスク透過レーザスポットと光学格子との関係とをそれぞれ示す図である。 （ａ），（ｃ），（ｅ）それぞれ図７の回折格子の一状態と、（ｂ），（ｄ），（ｆ）それらに対応する図７のマスク透過レーザスポットおよび光学格子の状態とを示す図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るピクセルクロック発生装置１およびこれを備えるレーザ走査型顕微鏡システム１００について図面を参照して説明する。
本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡システム１００は、図１に示されるように、レーザ走査型顕微鏡（以下、単に顕微鏡という。）２と、該顕微鏡２が備える走査ミラー３の揺動に連動してピクセルクロックを生成するピクセルクロック発生装置１とを備えている。

顕微鏡２は、レーザ光源４と、該レーザ光源４から出力された観察用レーザＬをラスタ走査する走査ミラー３と、該走査ミラー３により走査された観察用レーザＬを標本Ａに照射するとともに標本Ａからの観察光Ｌ’を集光する対物レンズ５と、該対物レンズ５によって集光された観察光Ｌ’を検出して電気信号に変換する光検出器６と、該光検出器６から出力された電気信号に基づいて標本Ａの画像を生成する画像処理部７を備えている。

図中、符号８は、レーザ光源４からの観察用レーザＬを反射し、対物レンズ５によって集光された観察光Ｌ’を透過するダイクロイックミラーを示している。符号９，１０は、走査ミラー３と対物レンズ５の瞳面とを共役にするための瞳リレーレンズ群を示している。符号１１は、ダイクロイックミラー８を透過した観察光Ｌ’を集光する集光レンズを示している。

走査ミラー３は、両面がミラーとなっており、一方の面（一の反射面）３ａに入射された観察用レーザＬを対物レンズ５の光軸方向に反射する。また、走査ミラー３は、図示しないモータによって、軸（所定の軸）Ｓを中心に揺動可能に設けられている。図１において、軸Ｓは、紙面に垂直である。観察用レーザＬは、走査ミラー３によってＸ方向に一走査された後、不図示の別な走査ミラーによってＹ方向に所定の距離だけ走査される。これら動作が繰り返されることにより、観察用レーザＬはラスタ走査される。

ピクセルクロック発生装置１は、走査ミラー３の他方の面（他の反射面）３ｂに複数のレーザ（光束）Ｌ１〜Ｌ３を入射させる光源部１２と、他方の面３ｂで反射されたレーザＬ１〜Ｌ３を通過させる開口１３ａを有するスリット部材１３と、開口１３ａを通過したレーザＬ１〜Ｌ３を集光する集光レンズ１４と、該集光レンズ１４によって集光されたレーザＬ１〜Ｌ３が入射される光学格子１５と、該光学格子１５を透過したレーザＬ１〜Ｌ３を検出して電気信号に変換する光検出器（信号変換部）１６と、該光検出器１６から出力された電気信号の周波数を逓倍する周波数逓倍器（信号変換部）１７とを備えている。

光源部１２は、複数（本実施形態においては３つ）のレーザ光源１２ａ〜１２ｃを備えている。レーザ光源１２ａ〜１２ｃは、同一の性質を有するレーザＬ１〜Ｌ３をそれぞれ出力する。レーザ光源１２ａ〜１２ｃから出力されたレーザＬ１〜Ｌ３は、軸Ｓに交差する同一平面上を導光し、走査ミラー３の他方の面３ｂの略同一位置に入射する。他方の面３ｂで反射された３つのレーザＬ１〜Ｌ３は、走査ミラー３の軸Ｓ回りの揺動により該軸Ｓに交差するＸ’方向に走査され、不図示の別な走査ミラーによりＸ’方向に垂直なＹ’方向に走査される。

次に、レーザＬ１〜Ｌ３と、走査ミラー３と、スリット部材１３との関係を、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、レーザＬ１〜Ｌ３と、走査ミラー３と、スリット部材１３との関係を示す、代表図である。同図において、走査ミラー３の揺動角はゼロであり、他方の面３ｂはピクセルクロック発生装置１の光学系の光軸に対して略４５°の角度をなしている。レーザＬ１〜Ｌ３の他方の面３ｂに対する入射角および反射角は、レーザＬ１においては４５°よりも大きく、レーザＬ２においては４５°に略等しく、レーザＬ３においては４５°よりも小さい。レーザＬ１〜Ｌ３のスリット部材１３に対する位置関係は、レーザＬ１はスリット部材１３の下部において遮光され、レーザＬ２は開口１３ａの略中心を透過し、レーザＬ３はスリット部材１３の上部において遮光される。

図２（ｂ）は、上記図２（ａ）の状態に対して、走査ミラー３がθｍの全幅走査角度をもって走査され、それによって各レーザＬ１〜Ｌ３がθｓ（＝２θｍ）の全幅走査角度をもって走査された状態を示す（以下、このθｓを走査角度の全幅と呼ぶ）。同図における走査ミラー３およびレーザＬ１〜Ｌ３の反射光として、破線で示された部分は一回の走査開始の瞬間を表わし、実線で示された部分は一回の走査終了の瞬間を表わす。すなわち、走査ミラー３が時計方向に揺動することによって一回の走査がなされるものとする。同図において、走査開始の瞬間においてレーザＬ１は開口１３ａの上端に位置し、走査終了の瞬間においてレーザＬ１は走査角度の全幅θsだけ時計方向に振れていると同時に、レーザＬ３は開口１３ａの下端に位置する。

この一回の走査において、各レーザＬ１〜Ｌ３が開口１３ａを順次横切るには、互いに隣り合うレーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３が成す角度θ１，θ２は、走査角度の全幅θｓを、レーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３の数ｎ（本実施形態においてはｎ＝３）で分割した角度でなければならず、さらに、ｎで等分した角度であることが好ましい。例えば、θｍ＝２１°の場合、走査角度の全幅θｓ＝４２°であり、レーザＬ１とレーザＬ２とが成す角度θ１およびレーザＬ２とレーザＬ３とが成す角度θ２は、θｓ／ｎ＝４２°／３＝１４°が好ましい値である。

スリット部材１３は、図３（ａ）に示されるように、レーザＬ１〜Ｌ３を通過させる開口１３ａと、該開口１３ａを囲みレーザＬ１〜Ｌ３を遮断するフレーム１３ｂとを有している。開口１３ａのＸ’方向（同図の紙面左右方向）の寸法Ｗは、互いに隣り合う２つのレーザＬ１，Ｌ２：Ｌ２，Ｌ３の、間隔（光束中心間距離）Ｄ以上とされている。これにより、Ｘ’方向に走査される３つのレーザＬ１〜Ｌ３のうち少なくとも１つは開口１３ａを通過するとともに、開口１３ａを通過するレーザＬ１〜Ｌ３が走査ミラー３の揺動角度に応じて順番に切り替わるようになっている。

より好ましくは、開口１３ａのＸ’方向の寸法Ｗは、互いに隣り合う２つのレーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３の間隔Ｄの整数倍と略同一とされている。これにより、図３（ａ）〜（ｅ）に示されるように、レーザＬ１〜Ｌ３のＸ'方向の走査位置に依らずに、開口１３ａを通過するレーザＬ１〜Ｌ３の総光量が常に一定となる。

光学格子１５は、レーザＬ１〜Ｌ３を遮断する直線状の遮光部と、レーザＬ１〜Ｌ３を透過する直線状の透光部とを有している。遮光部および透光部は、Ｘ’方向に一定の間隔で繰り返し配列されている。Ｘ’方向に走査されながら光学格子１５に入射するレーザＬ１〜Ｌ３は、透光部を横切るときのみ光学格子１５を透過する。これにより、光学格子１５からは、レーザＬ１〜Ｌ３が略一定の時間周期でパルス状に出力される。

光検出器１６は、光学格子１５から出力されたパルス状のレーザＬ１〜Ｌ３を検出し、検出したレーザＬ１〜Ｌ３を電気信号に変換して出力する。この電気信号は、パルス状のレーザＬ１〜Ｌ３の周波数と同一の周波数を有するパルス信号である。
周波数逓倍器１７は、入力されたパルス信号の周波数を２倍に逓倍して出力する。図１には、直列に接続された３つの周波数逓倍器１７により、光検出器１６から出力されたパルス信号の周波数が最終的に８倍にまで逓倍される構成が例示されている。

周波数逓倍器１７によって周波数が逓倍されたパルス信号は、顕微鏡２が備える画像処理部７に入力される。
画像処理部７において、パルス信号はピクセルクロックとして用いられる。すなわち、画像処理部７は、周波数逓倍器１７から入力されたパルス信号に同期して光検出器６から入力されてくる電気信号をサンプリングし、サンプリングした電気信号を輝度に変換して並べることにより標本Ａの画像を生成する。

このように、サンプリングされた個々の電気信号は、画像内の個々の画素に対応する。したがって、サンプリングクロックであるパルス信号の周波数が大きいほど、画像処理部７による電気信号のサンプリング頻度が高くなり、画像処理部７が生成する画像において観察用レーザＬのＸ方向の一走査線当たりの画素数が増えることとなる。

次に、このように構成されたピクセルクロック発生装置１およびこれを備えるレーザ走査型顕微鏡システム１００の作用について説明する。
本実施形態に係る顕微鏡２において、レーザ光源４から出力された観察用レーザＬは、ダイクロイックミラー８および走査ミラー３で反射され、対物レンズ５を介して標本Ａに照射される。このときに、観察用レーザＬは、走査ミラー３の作動によって標本Ａ上をＸ’方向に走査し、不図示の別な走査ミラーによりＹ’方向に走査し、これら２つの走査によってＸ’Ｙ’方向にラスタ走査する。観察用レーザＬの照射によって標本Ａで発生した観察光Ｌ’は、対物レンズ５によって集光され、走査ミラー３によって反射され、ダイクロイックミラー８を透過し、光検出器６によって検出される。光検出器６は、検出した観察光Ｌ’の強度に応じた電気信号を画像処理部７に出力する。

以上のレーザ走査型顕微鏡２の動作と平行してピクセルクロック発生装置１が動作する。すなわち、ピクセルクロック発生装置１において、３つのレーザ光源１２ａ〜１２ｃから出力されたレーザＬ１〜Ｌ３は、観察用レーザＬをラスタ走査している走査ミラー３の他方の面３ｂで反射される。反射されたレーザＬ１〜Ｌ３は、走査ミラー３の揺動角度に応じて順番にスリット部材１３の開口１３ａを通過し、光学格子１５によってパルス状とされて光検出器１６へ入射する。光検出器１６は、入射してきたパルス状のレーザＬ１〜Ｌ３と同一の周波数のパルス信号を出力する。光検出器１６から出力されたパルス信号は、周波数逓倍器１７によって周波数が適切な大きさまで逓倍された後、画像処理部７に入力される。

以上のようにして、画像処理部７には、光検出器６によって検出された観察光Ｌ’の強度を示す電気信号と、走査ミラー３の揺動に連動したピクセルクロックとしてのパルス信号とが入力される。画像処理部７は、光検出器６から入力されてくる電気信号をピクセルクロックに同期してサンプリングする。そして、サンプリングした電気信号を、走査ミラー３によって走査される観察用レーザＬの位置と対応づけることにより標本Ａの画像を生成する。すなわち、サンプリングされた個々の信号は、生成される画像の個々の画素に対応する。

この場合に、本実施形態によれば、複数のレーザＬ１〜Ｌ３が、走査ミラー３の他方の面３ｂに異なる角度で入射し、走査ミラー３の揺動に応じて順番に開口１３ａを通過して集光レンズ１４に入射する。このときのレーザＬ１〜Ｌ３の集光レンズ１４への入射角度の幅は、走査ミラー３の軸Ｓ回りの揺動による個々のレーザＬ１〜Ｌ３の走査角度の全幅θｓを３で分割した角度、好ましくは走査角度の全幅θｓの約３分の１の角度となる。したがって、集光レンズ１４に要求される画角および有効径は、走査ミラー３の背面３ａで反射された単一のレーザを走査角度の全幅θｓ全体にわたって集光する場合と比べて十分に小さくて済み、集光レンズ１４におけるレーザＬ１〜Ｌ３の収差補正も容易となる。これにより、集光レンズ１４のレンズ構成を簡素にしながら、高精度のピクセルクロックを生成することができる。

なお、本実施形態においては、光学格子１５の透光部が、一定のピッチを有することとしたが、これに代えて、透光部のピッチが可変に設けられていてもよい。
図４（ａ）は、透光部１５１ａのピッチが連続的に変化する光学格子１５１の一例を示している。図４（ｂ）は、透光部１５２ａのピッチが段階的に変化する光学格子１５２の一例を示している。光学格子１５１，１５２は、図示しない移動機構によってＹ’方向に移動可能に設けられている。

透光部１５１ａ，１５２ａのピッチは、ピクセルクロックの周波数と反比例する。すなわち、透光部１５１ａ，１５２ａのピッチを小さくすることにより、ピクセルクロックの周波数が大きくなり、画像のＸ方向の単位長さ当たりの画素数が増加する。したがって、光学格子１５１，１５２をＹ’方向に移動してレーザＬ１〜Ｌ３の入射位置における透光部１５１ａ，１５２ａのピッチを変更することにより、画像処理部７によって生成される画像のＸ方向の解像度を調節することができる。

また、図４（ａ），（ｂ）に示されるような光学格子１５１，１５２を採用する場合、ガルバノズームによる拡大観察と連動して光学格子１５１，１５２のＹ’方向の位置を調節する制御部（図示略）が備えられていてもよい。ガルバノズームとは、走査ミラー３の揺動角度の幅を小さくして観察用レーザＬの走査範囲を狭めることにより、標本Ａのより狭い範囲を拡大観察する手法である。図中の矢印Ｔは、レーザＬ１〜Ｌ３の走査軌跡を示している。

ガルバノズームによって拡大観察するときに、透光部１５１ａ，１５２ａのピッチが通常観察のときと同一であると、レーザＬ１〜Ｌ３がＸ’方向に１ライン走査される間に透光部１５１ａ，１５２ａを横切る回数が減少する。その結果、観察用レーザＬがＸ方向に１ライン走査される間に画像処理部７が光検出器１６からの電気信号をサンプリングする回数が減少し、画像のＸ方向の画素数が減少することとなる。例えば、ガルバノズームにより標本Ａを２倍に拡大観察する場合、生成される画像のＸ方向の画素数は半分に減少する。

そこで、ガルバノズームを利用するときは、拡大倍率と透光部１５１ａ，１５２ａのピッチとが反比例するように、制御部が光学格子１５１，１５２をＹ’方向に位置決めする。これにより、画像処理部７に入力されるピクセルクロックの周波数が増大し、画像処理部７による電気信号のサンプリング頻度が増加するので、観察倍率によらずに一定の解像度を有する画像を生成することができる。

また、本実施形態においては、光学格子１５３が、図５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、Ｘ’−Ｙ’平面内において回転可能に設けられていてもよい。このようにしても、光学格子１５３の回転角度に応じてＸ’方向の透光部１５３ａのピッチｐを変更し、ピクセルクロックの周波数を調節することができる。

図５（ａ）〜（ｃ）において、光学格子１５３は、透光部１５３ａの長手方向がＸ’方向に対してそれぞれ３０°、４５°、９０°となるように配置されている。Ｘ’方向の透光部１５３ａのピッチｐは、図５（ａ）に示される状態でのピッチｐに対して、図５（ｂ）では２^−１／２（≒０．７０７）倍、図５（ｃ）では２^−１（＝０．５）倍となる。すなわち、ガルバノズームを利用しない通常観察のときには光学格子１５３を図５（ａ）の配置とし、ガルバノズームにより標本Ａを２倍に拡大観察するときには、光学格子１５３を図５（ｃ）の配置とすればよい。

図４（ａ），（ｂ）及び図５（ａ）〜（ｃ）に示されるような、レーザＬ１〜Ｌ３の走査方向（Ｘ’方向）の透光部１５１ａ〜１５３ａのピッチを変化させる構成は、ピクセルクロックの周波数の細かな調節に適しているが、透光部１５１ａ〜１５３ａのピッチの下限には限界があるため、ピクセルクロックの周波数を大幅に増加させる用途には不向きである。したがって、このような光学格子１５１〜１５３は、図６に示されるように、直列に接続された周波数低倍器１７と組み合わせて用いられることが好ましい。

図６においては、スイッチＳＷの切り替えにより光検出器１６からのパルス信号の周波数の増大に使用される周波数逓倍器１７の数が変更可能となっている。検出器１６からのパルス信号の周波数は、周波数低倍器１７によって２倍、４倍、８倍、…と大幅に逓倍され、光学格子１５１〜１５３により微調節される。

また、図５（ａ）〜（ｃ）に示される光学格子１５３を回転させる構成においては、光学格子１５３と一体にレーザも回転可能に設けられていることが好ましい。
図７は、主要な光学素子が一体的に回転可能に構成されたピクセルクロック発生装置１’を示している。このピクセルクロック発生装置１’において、単一のレーザ光源１２ｄと、レンズ１８と、回折格子１９と、マスク１３１と、光学格子１５３と、集光レンズ２５と、光検出器１６とが筐体２０内に共軸的に保持され、その光軸を回転軸として回転可能とされている。レーザ光源１２ｄから発せられたレーザ光は、筐体２０の左端から射出し、走査ミラー３と、３枚のミラー２４と、リレーレンズ２１とを介して筐体２０の右端から入射し、検出器１６において光電変換される。

図８は、上記ピクセルクロック発生装置１’における光学系の作用の理解を容易にするために、走査ミラー３と３枚のミラー２４を表示の上で省略し、一直線の光路に延ばした状態を示すものである。ここで、レーザ光源１２ｄから出力された単一のレーザＬ_０は、レンズ１８によって平行光束とされ、回折格子（光束分割素子）１９に照射される。そして、回折格子１９の作用によりレーザＬ_０は分割されて複数のレーザＬ_０’が生成されるようになっている。このように、単一のレーザ光源１２ｄから出力された単一のレーザＬ_０から複数のレーザＬ_０’を生成することにより、同一の性質を有する複数のレーザＬ_０’を簡易な構成で生成することができる。

複数のレーザＬ_０’は、リレーレンズ２１によって集光され、複数のレーザスポットＬ_ＳＰとなる。これらレーザスポットＬ_ＳＰのうち、マスク１３１の開口１３１ａを透過した成分が、マスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’となる。さらに、マスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’のうちリレーレンズ２１の焦点面に配置された光学格子１５３を透過した成分が、格子透過レーザスポットＬ_ＳＰ”となる。格子透過レーザスポットＬ_ＳＰ”は、集光レンズ２５によって再び平行光束とされ、光検出器１６に入力される。なお、複数のレーザスポットＬ_ＳＰは、前記走査ミラー３の軸Ｓ回りの揺動により、該軸Ｓと交差するＸ’方向（矢印Ｔ方向）に走査される。

図９（ａ）〜（ｃ）は、上記ピクセルクロック発生装置１’を、レーザの進行方向に沿って見た状態を示すものである。図９（ａ）は、第１のピッチＰ_１９Ａで等間隔に並ぶ第１の透光部１９ａと、この第１の透光部１９ａに直交し第２のピッチＰ_１９Ｂで等間隔に並ぶ第２の透光部１９ｂとを有する回折格子１９の格子パターンを示している。第１のピッチＰ_１９Ａと第２のピッチＰ_１９Ｂは、後述する条件を満たす必要があるが、両者が必ずしも同じ大きさである必要はない。

なお、図９（ａ）では、第１の透光部１９ａの長手方向がＹ’軸と平行とされ、第２の透光部１９ｂの長手方向がＸ’軸と平行とされているが、これら透光部１９ａ，１９ｂの方向は、図７における筐体２０の回転に伴って変化する。

図９（ｂ）は、マスク１３１および該マスク１３１に照射される複数のレーザスポットＬ_ＳＰを示す。複数のレーザスポットＬ_ＳＰは、Ｘ’軸方向に第１のピッチＰ_ＳＰＡで、Ｙ’軸方向に第２のピッチＰ_ＳＰＢで、それぞれ等間隔で並ぶ。Ｐ_ＳＰＡおよびＰ_ＳＰＢは、それぞれ次式で表わされる。
（１ａ） Ｐ_ＳＰＡ＝λ・ｆ_２１／Ｐ_１９Ａ
（１ｂ） Ｐ_ＳＰＢ＝λ・ｆ_２１／Ｐ_１９Ｂ
ここで、λはレーザＬ_０の波長、ｆ_２１はリレーレンズ２１の焦点距離である。

マスク１３１の開口１３１ａの形状は矩形であり、そのＸ’軸方向の寸法を第１の開口幅Ｗ_１３１Ａ、Ｙ’軸方向の寸法を第２の開口幅Ｗ_１３１Ｂとする。この場合、開口幅Ｗ_１３１Ａ，Ｗ_１３１Ｂは、下式（２ａ）および下式（２ｂ）の関係を満たす。
（２ａ） Ｗ_１３１Ａ≧Ｐ_ＳＰＡ
（２ｂ） Ｗ_１３１Ｂ≧Ｐ_ＳＰＢ
開口幅Ｗ_１３１Ａ，Ｗ_１３１Ｂが式（２ａ）および式（２ｂ）を満たす場合、複数のレーザスポットのうち少なくとも１個が常に開口１３１ａを透過することになる。

Ｗ_１３１ＡおよびＷ_１３１Ｂは、さらに下式（３ａ）および下式（３ｂ）を満たすことが望ましい。
（３ａ） Ｗ_１３１Ａ＝ｎ_Ａ・Ｐ_ＳＰＡ
（３ｂ） Ｗ_１３１Ｂ＝ｎ_Ｂ・Ｐ_ＳＰＢ
ここで、ｎ_Ａおよびｎ_Ｂは、それぞれ任意の正の整数である。

開口幅Ｗ_１３１Ａ，Ｗ_１３１Ｂが式（３ａ）および式（３ｂ）を満たす場合、複数のレーザスポットのうち、一定数すなわち（ｎ_Ａ×ｎ_Ｂ）個のレーザスポットが、常に開口１３１ａを透過することになる。例えば、図９（ｂ）においてはｎ_Ａ＝２、ｎ_Ｂ＝４であり、開口１３１ａを透過するレーザスポットの数は常に８個である。
式（２ａ）および式（２ｂ）、または式（３ａ）および式（３ｂ）の条件式を満たすことにより、生成されるピクセルクロックを安定化させることが出来る。

なお、図９（ｂ）では、複数のレーザスポットＬ_ＳＰが開口１３１ａの中心に関して点対称に配列されているが、このレーザスポットＬ_ＳＰの対称性（点対称あるいは線対称）は、走査ミラー３の揺動により、必ずしも保たれるものではない。また、図９（ｂ）では、複数のレーザスポットＬ_ＳＰが、縦に７個、横に１３個配列されているが、これは回折格子１９によって多数のレーザスポットが生成されること、およびその中の一部が開口１３１ａを透過する構成であることを説明するための一例に過ぎない。実際には、例えば走査ミラー３やミラー２４におけるケラレによってマスク１３１の周辺部にレーザスポットＬ_ＳＰが照射されないことがあり得る。そのような場合においても、開口１３１ａの範囲に複数のレーザスポットＬ_ＳＰがケラレなく照射されるならば、本実施形態において何ら問題とはならない。

図９（ｃ）は、光学格子１５３および該光学素子１５３に照射されるマスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’を示している。ここで、光学格子１５３は、その透光部１５３ａが、回折格子１９の第１の透光部１９ａと平行になるように配置されている。同図中のＰ_１５３は透光部１５３ａのピッチである。このピッチＰ_１５３は、複数のレーザスポットＬ_ＳＰにおける第１のピッチＰ_ＳＰＡと下式（４）の関係を満たすことが望ましい。
（４） Ｐ_ＳＰＡ＝ｎ_Ｐ・Ｐ_１５３
ここで、ｎ_Ｐは任意の正の整数である。式（４）の条件式が成立する場合、透光部１５３ａとマスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’との間で空間的な位相が一致するので、生成されるピクセルクロックにおけるシグナル成分を大きくすることができる。

図９（ｃ）において、マスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’として示されている全円、半円、および４分の１円のうち、全円は開口１３１ａでケラれることなく透過したレーザスポットを、半円は開口１３１ａのエッジ部でケラれて半分の光量が透過したレーザスポットを、４分の１円は開口１３１ａのエッジ隅部でケラれて４分の１の光量が透過したレーザスポットを、それぞれ模式的に表わしている。同図において、上記各レーザスポットの数は、全円が３個、半円が８個、４分の１円が４個、すなわち総光量はレーザスポット８個相当である。このことは、本実施形態においてはｎ_Ａ＝２、ｎ_Ｂ＝４すなわちｎ_Ａ・ｎ_Ｂ＝８であることにより開口１３１ａを透過するレーザスポットの数が８個であるとした前記説明と符合する。

図１０（ａ）〜（ｆ）は、ピクセルクロック発生装置１’において、筐体２０を回転させることによって、生成するピクセルクロックの周波数を変化させる原理を示すものである。ここで、同図（ａ），（ｃ），（ｅ）は回折格子１９を、同図（ｂ），（ｄ），（ｆ）は光学格子１５３を、それぞれレーザの進行方向に沿って見た状態を示す。そして、同図（ａ）と（ｂ）は、回折格子１９の第１の透光部１９ａと光学格子１５３の透光部１５３ａとについて、それぞれの長手方向がＸ’軸方向（矢印Ｔ方向）に対して３０°をなすように、筐体２０の回転方向を設定した、一つの状態を示すものである。同様に、同図（ｃ）と（ｄ）は４５°をなすように設定し、同図（ｅ）と（ｆ）は９０°をなすように設定した、それぞれ一つの状態を示すものである。

ところで、図９（ａ），（ｂ）に示したように、複数のレーザスポットＬ_ＳＰは、第１の透光部１９ａと平行なレーザスポット列が、列同士の間隔として第１のピッチＰ_ＳＰＡをもって並ぶとともに、第２の透光部１９ｂと平行なレーザスポット列が、列同士の間隔として第２のピッチＰ_ＳＰＢをもって並んでいる。
これと同じく図１０（ｂ）におけるマスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’は、図１０（ａ）における第１の透光部１９ａと平行な（すなわちＸ’軸方向に対して３０°をなす）レーザスポット列が、列同士の間隔として第１のピッチＰ_ＳＰＡをもって並んでいる。同様に、図１０（ｄ）においてはＸ’軸方向に対して４５°をなすレーザスポット列が、図１０（ｆ）においてはＸ’軸方向に対して９０°をなすレーザスポット列が、それぞれ列同士の間隔として第１のピッチＰ_ＳＰＡをもって並んでいる。

以上のように構成されたピクセルクロック発生装置１’において、走査ミラー３が軸Ｓを中心に揺動するならば、図１０（ｂ），（ｄ），（ｆ）におけるマスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’が光学格子１５３上でＸ’軸方向（矢印Ｔ方向）に走査され、これによってピクセルクロックが発生される。このとき、Ｘ’軸方向の透光部１５３ａのピッチＰは、図１０（ｂ）に示される状態でのピッチＰに対して、図１０（ｄ）では２^-１/２（≒０．７０７）倍、図１０（ｆ）では２^-１（＝０．５）倍となる。すなわち、ガルバノズームを利用しない通常観察のときには光学格子１５３を図１０（ａ），（ｂ）の配置とし、ガルバノズームにより標本を２倍に拡大観察するときには、光学格子１５３を図１０（ｅ），（ｆ）の配置とすればよい。

以上で説明した図７〜図１０に示される本実施形態に係るピクセルクロック発生装置１’は、以下の特徴を有する。
まず、複数のレーザＬ_０’を複数のレーザスポットＬ_ＳＰに集光するリレーレンズ２１は、走査ミラー３による走査角度の全幅を画角としてカバーする必要はなく、マスク１３１の開口１３１ａの範囲のみカバーするように構成されていればよい。このことにより、リレーレンズ２１の収差補正が容易になり、リレーレンズ２１の構成を簡素にしながら、高精度のピクセルクロックを生成することができる。

次に、図５の場合と同様に、生成されるピクセルクロックの周波数がＸ’軸と透光部１５３ａとがなす角によって決まるので、同周波数を連続無段階的に調整することが可能である。
次に、図９（ｂ）に示したように、Ｘ’Ｙ’の２次元方向に拡散する多数の光スポットであるところの複数のレーザスポットＬ_ＳＰを発生させ、その一部を図９（ｃ）に示したようにマスク１３１を介して取り出し、光学格子１５３の照明に用いている。このため、走査ミラー３の揺動角や筐体２０の回転角度によらず、マスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’を、常に安定的に光学格子１５３に照射することができる。

次に、第１の透光部１９ａと透光部１５３ａが長手方向に常に平行になるように、回折格子１９と光学格子１５３が一体的に保持されるので、マスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’は、透光部１５３ａに対して常に平行なレーザスポット列を有する。さらに、第１のピッチＰ_ＳＰＡと透光部１５３ａのピッチＰ_１５３を、式（４）によって規定することによって、透光部１５３ａとマスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’との間で空間的な位相が一致するようになる。これらにより、生成されるピクセルクロックの信号が安定化する。

次に、マスク１３１の開口１３１ａの寸法を、式（３ａ）および式（３ｂ）によって規定することによって、マスク透過レーザスポットＬ_ＳＰ’のレーザスポット数は、走査ミラー３の揺動角や筐体２０の回転角度によらず一定になる。これにより、生成されるピクセルクロックの信号が安定化する。
さらに、光源として単一のレーザ光源１２ｄを用いながら、実質的に複数の光源を得ているので、装置の構造を簡潔にし、価格を安価にすることができる。

以上に示した実施形態では、いずれにおいても光源としてレーザ光源を用いているが、本発明に用いる光源としてはピクセルクロックを生成するのに必要な空間分解能を有するものであればレーザ光源に限られることはなく、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）とピンホール状の開口絞りとの組み合わせ等を使用可能である。

１ ピクセルクロック発生装置
２ レーザ走査型顕微鏡
３ 走査ミラー
４ レーザ光源
５ 対物レンズ
６ 光検出器
７ 画像処理部
８ ダイクロイックミラー
９，１０ レンズ群
１１，１４，２５ 集光レンズ
１２ 光源部
１２ａ〜１２ｄ レーザ光源
１３ スリット部材
１３ａ，１３１ａ 開口
１５，１５１〜１５３ 光学格子
１６ 光検出器（信号変換部）
１７ 周波数逓倍器（信号変換部）
１８ コリメータレンズ
１９ 回折格子（光束分割素子）
２０ 筐体
２１ リレーレンズ
２４ ミラー
１００ レーザ走査型顕微鏡システム
１３１ マスク
Ａ 標本

Claims (9)

1. 複数の反射面を有し一の反射面で観察用レーザを標本の方向へ反射するとともに所定の軸回りに揺動することにより前記観察用レーザを標本上で走査するミラーと、前記観察用レーザの照射により前記標本において発生した観察光を検出する検出部と、該検出部から出力された前記観察光に基づく信号をピクセルクロックに同期してサンプリングすることにより前記標本の画像を生成する画像処理部とを備えるレーザ走査型顕微鏡の前記ピクセルクロックを発生するピクセルクロック発生装置であり、
   複数の光束を前記ミラーの他の反射面の略同一位置に、前記所定の軸に交差する平面において互いに異なる入射角度で入射させる光源部と、
   前記他の反射面において互いに異なる反射角度で反射された前記複数の光束の光路上に配置され、前記走査ミラーの揺動によって前記所定の軸に交差する方向に走査される前記複数の光束のうち一部を通過させる開口を有するスリット部材と、
   該スリット部材の前記開口を通過した光束を集光する集光レンズと、
   該集光レンズによって集光された光束が入射され、該光束を遮断する遮光部および前記光束を透過させる透光部が前記所定の軸に交差する方向に一定間隔で繰り返し配列されてなる光学格子と、
   該光学格子を透過した光束を検出し、該光束の強度変化の周期に応じた周波数のクロック信号を生成する信号変換部とを備え、
   前記複数の光束の前記他の反射面への入射角度は、前記走査ミラーの揺動による前記各光束の走査角度の全幅を複数に分割した角度ずつ互いに異なり、
   前記開口の前記所定の軸に交差する方向の寸法は、隣接する前記光束同士の前記スリット部材の位置における前記所定の軸に交差する方向の間隔以上であるピクセルクロック発生装置。
2. 前記光学格子は、隣接する前記透光部同士の中心間距離が前記遮光部および前記透光部の配列方向に交差する方向に連続的に変化するとともに、該配列方向に交差する方向に移動可能に設けられている請求項１に記載のピクセルクロック発生装置。
3. 前記光学格子は、隣接する前記透光部同士の中心間距離が前記遮光部および前記透光部の配列方向に交差する方向に段階的に変化するとともに、該配列方向に交差する方向に移動可能に設けられている請求項１に記載のピクセルクロック発生装置。
4. 前記ミラーの前記所定の軸回りの揺動角度の幅に応じて前記光学格子の前記配列方向に交差する方向の位置を調節する制御部を備える請求項２または請求項３に記載のピクセルクロック発生装置。
5. 前記光学格子が、該光学格子をなす面と直交する軸を中心に回転可能に設けられている請求項１に記載のピクセルクロック発生装置。
6. 前記光源部が、前記光学格子と共通の軸を中心に前記光学格子と一体的に回転可能に設けられている請求項５に記載のピクセルクロック発生装置。
7. 前記光源部が、単一の光源と、該光源から出力された光束を複数に分割する光束分割素子とを備える請求項１から請求項５のいずれかに記載のピクセルクロック発生装置。
8. 前記スリット部材は、２以上の光束を前記開口に通過させ、
   隣接する前記光束同士の前記光学格子の位置における前記所定の軸に交差する方向の間隔は、前記光学格子の隣接する前記透光部同士の中心間隔の略整数倍である請求項１から請求項７のいずれかに記載のピクセルクロック発生装置。
9. 前記開口の前記所定の軸に交差する方向の寸法が、隣接する前記光束同士の前記スリット部材の位置における前記交差する方向の間隔の略整数倍である請求項１から請求項７のいずれかに記載のピクセルクロック発生装置。

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